CC BY
14
УДК: 656.25: 621.318
БОНДАРЕНКО Б.М., к.т.н., доцент (ДНУЗТ iменi академiка В. Лазаряна);
Автоматизоване дiагностування контактноУ системи електромагнiтних реле
Вступ
Сучасна робота систем безпеки заль знично'1 автоматики i телемеханiки в Украш i СНД побудована з використан-ням електромагнiтних реле першого класу надiйностi. Досвiд експлуатаци тдтвер-джуе факт 1х надiйноi роботи, ресурс де-яких тишв реле перевищуе десятки рокiв. Перехщ вiд релейних на мiкропроцесорнi системи управлшня е перспективним, але вш пов'язаний iз вирiшенням значних те-хнiчних труднощiв та великими матерiа-льними витратами. Виходячи з цього, у в найближчому майбутньому електромагш-тнi реле будуть продовжувати виконувати найважливiшi функци на багатьох залiз-ницях свiту [1].
Зараз на залiзницях Украши знахо-дяться в експлуатаци сотш тисяч електромагштних реле, розроблених у серединi та в другш половинi минулого столпгя. У середньому на обслуговуваннi в однш ди-станцп сигналiзацii i зв'язку Украши таких електромагштних пристро'1'в майже 30 000 штук. Для 1'х перевiрки витрачаеть-ся багато часу, при цьому використову-еться труд висококвалiфiкованих спеща-лiстiв, а рiвень об'ективного контролю за виконанням великого об'ему роб^ потре-буе полшшення.
Технологiя перевiрки параметрiв електромагштних реле, яка розроблена багато роюв тому, вщповщно до тогочас-ного рiвня технiчного розвитку в основному не змшилася дотепер, в нш вiдсутня автоматизацiя дiагностування, вс роботи з перевiрцi та ремонту реле виконуються уручну, включаючи запис результат ви-конаних робiт у вщповщш журнали [2]. Як наслщок, витрачаеться багато ресурсiв i часу та юнуе велика залежнiсть робгт вiд
квалiфiкацii окремого спецiалiста.
Для забезпечення належного рiвня надiйностi, продовження ресурсу елект-ромагнiтних реле необхщно удосконален-ня технологи контролю в ремонтно-технологiчнiй дiльницi з використанням автоматизованих засобiв дiагностування, що дозволить тдвищити надiйнiсть та скоротити час виконання цих робгт [3].
Одною з головних перевiрок реле е перевiрка стану його контактно!' системи, у тому чист дiагностування якосп конта-ктних поверхонь. Зараз не юнуе чгткого критерiю визначення чистоти контактних поверхонь. Тому для автоматизаци визна-чення чистоти контактних поверхонь не-обхщно визначити 11 кшькюний показник.
Оцшка коеф1ц1ента тертя контактов п1д час Ух ковзання
Вщомо, що для визначення тягово'1 сили у момент початку руху якоря елект-ромагштного реле важливо знати величину сил тертя, що утримують систему в по-чатковому положенш пiсля подачi струму в обмотку реле.
Рiвняння руху рухомо'1 системи реле:
С28 С8
р- = п—у + ± С8 + ^, (1)
1 Л2 ■"пр сИ
де п1 - приведена маса рухомих час-тин реле; 8 - перемщення якоря; /пр -
питома сила опору руху якоря i рухомих частин реле; С - приведена жорсткють контактних i поворотних пружин; ¥0 -початкове значення електромагштно! про-тидшчо! сили; Ее - сила тяжiння дшча на якiр [4].
Для наближеного виршення цього
нелшшного рiвняння користуються гра-фоаналiтичним методом послiдовних на-ближень. При цьому, як правило, нехту-ють початковою протидiючою силою ¥0 i пито мою силою опору руху /тр [4]. Питому силу опору руху слщ враховувати в розрахунках, оскшьки за й величиною при функцiональному контролi можна ощнити стан рухомо'1 системи реле, у тому чист i контактних поверхонь елеменпв, що труться.
Проте скрутно юнуючими техшчни-ми засобами визначити вщносно малу по-чаткову величину, мехашчнш реакци якоря на струм в обмотщ реле у момент зру-шення якоря. Аналiз (1) показуе, що реак-цiя якоря на струм в обмотщ обумовлена як електромагштними (струм, напруга, потоки) так i механiчними параметрами реле. Перед моментом зрушення швид-кiсть руху якоря нульова, отже початко-вим значенням протидшчо'1 сили ¥0 (про-
тидшчо'1 електрорушшно'1 сили) можна нехтувати.
До моменту зрушення якоря питома сила опору руху /тр обумовлена наявню-
тю на поверхнi рухомих зв'язаних елемен-тiв сил зчеплення (якоря, контактсв, регу-лювальних пружин та ш.), за рахунок тер-тя першого роду (тертя ковзання), яке в початковий момент максимально i е тер-тям спокою. Ця величина залежить вщ якостi обробки поверхонь деталей, що труться, i вiд сили 1'х стискування (норма-льнiй реакцп):
1тР = к ■ N..
(2)
де к - коефщент тертя при ковзанш; N - величина нормально'1 реакци (сили стискування).
Сила тертя спокою дорiвнюе модулю i спрямована проти зовшшньо'1 сили, що викликае ковзання одше'1 деталi по ш-шiй.
Вiдомо, що коефщент тертя ковзання к не е постшною величиною (як у спо-
ко'1), вiн залежить вщ властивостей i стану поверхонь деталей [5].
Таким чином, стан поверхонь взае-модшчих деталей характеризуеться кое-фiцiентом тертя при ковзаннi к, у тому чист контаклв реле, який значною мiрою визначае величину сили тертя /тр в рухомо'1' системь
З початком руху системи коефщент тертя спокою переходить в коефщент тертя ковзання, який дещо менше коефще-нта тертя спокою i визначаеться виразом (2). Для ощнки коефщента тертя ковзання запропонований метод вимiрювання тягового зусилля з використанням мехашчно-го резонансу рухомо'1 системи реле.
Суть методу полягае в тому, що система виводиться iз стану рiвноваги (спокою) шляхом використання властивосп механiчного резонансу рухомо'1 системи реле. Це дозволяе автоматичними засоба-ми визначити момент зрушення i зупинки якоря, а також вщповщш 1'м струм i силу тертя.
Якщо вирiшувати цю задачу тради-цiйним способом - шляхом вимiрювання напруги на обмотцi реле при зрушенш якоря, то необхiдно разом з силами тертя спокою додатково визначати момент ше-рцп якоря. Останнш можна визначити ек-спериментальним шляхом, якщо розташу-вати яюр на ножовiй опорi так, щоб вiн гойдався як фiзичний маятник.
Частота коливань такого маятника:
I = (3)
2р V J
Звiдси момент шерци якоря :
т$с
J =
4я2/2
де т - шертна маса якоря; 1с - вщс-тань вiд центру тяжiння якоря до ос обер-тання; g - прискорення сили тяжiння; / -число коливань якоря в секунду [4, 6].
При ршенш задачi з використанням механiчного резонансу рухомо'1' системи,
(4)
шляхом розгоидування и шпульсами струму, моментом шерцп якоря можна нехтувати, оскшьки через кожних твпе-рiоду власних коливань знак моменту змшюеться на протилежниИ, при незмш-ному Иого модулi. В результат цього уся енергiя, що подаеться в систему, витрача-тиметься на подолання сил тертя першого роду (ковзання).
Д1агностування рухомоТ системи реле
вань реле ршенням та рiвнянь(1) - (4) складно, по тш причинi, що складно знаИ-ти ютинш значення механiчних парамет-рiв (сили тертя якоря, контактiв, пружно-стi контактних пружин та ш.) тим бiльше, що значення деяких з них випадков^ тому запропоновано виршити це завдання екс-периментальним шляхом, використовую-чи осцилограми вiбрацii якоря при вщк-люченнi струму в обмотцi реле (рис. 1), де Тв перюд вiбрацii якоря.
Визначення частоти власних коли-
Рис. 1. Осцилограма для визначення власних коливань рухомо'' системи реле за
вiбрацiею якоря
На рис. 2 пояснюеться метод дiагно-стування рухомо'' системи реле. 1мпульси напруги (струму) резонансно'' частоти по-дають в знеструмлену обмотку реле (рис. 2 а), що виводить рухому систему реле iз стану спокою. Потсм, плавно зменшуючи амплггуду iмпульсiв, визначають значення струму в обмотщ, при якому вiдбуваеться повне згасання мехашчних коливань в си-стемi (рис. 2 б). За початком i закiнченням коливань якоря здшснюеться стеження за допомогою оптичного каналу [5]. Визна-чаючи рiзницю в значеннi сили струму, отримано'' розглянутим методом i сили струму, отримано'1' при традицшному ви-мiрi можна з достатньою мiрою точносп визначити величину сили тертя рухомо'1 системи реле.
У загальному виглядi сила тяжiння (тяга) якоря електромагшту виражаеться виразом (1). До моменту зупинки рухомо'1'
системи реле /тр виражае величину сили тертя руху /трВ з урахуванням стану по-верхонь тилових контактних груп. Струм 1В, при якому рухома система зупиняеть-
ся визначаеться за допомогою запропо-нованого методу i вiдрiзняеться вщ струму до моменту зрушення якоря 1С (рис. 2 а).
В цьому випадку, до момешив зру-шення якоря та Иого зупинки отримуемо
двi сили опору / =
(I Ж)20{
яю за-
лежать вщ 1С i 1В [6]. Остаточно отрима-емо:
ш20 2
г = ™ ^м (12 -12 )
Jmp ~ 0 I 1С 1Э / ■
(5)
Для визначення стану поверхонь фронтових контактних груп, запропоновано збшьшити амплггуду резонансних
шпульсв струму до величини, при яки станеться зпкнення рухомих i фронтових контакпв. При цьому повного притягання якоря не допускають. В цьому випадку, коливання рухомо'1 системи вщбуваються з урахуванням тертя у фронтових контак-тних групах.
Тод^ сила тяжшня якоря у момент руху описусться вiдомою формулою:
Ft = -
(IW)2Gi2 dGô
2GÔ
dô
(6)
де Gô - загальна магнпна провщ-нiсть фiзичного зазора; ô - величина зичного зазора [4].
Рис. 2. Коливання якоря реле при поданш в обмотку iмпульсiв напруги (струму), що зменшуються по aмплiтудi, з частотою власних коливань рухомо'1 системи
При цьому iмпульси струму в обмотщ характеризують 1'х номшальну величину, при якiИ резонансш коливання вщбу-ваються з урахуванням тертя у фронтових контактних групах. Тодi амплпуда змiни фiзичного зазора, при номшальному струмi резонансних коливань характери-зуватиме, вже з урахуванням сили тертя fmp у фронтових контактних групах, fmp
буде отримана з (5) шляхом постановки значень.
Дослщження показують, що змша сил тертя в рухомо'1 системi в дiaпaзонi 14-20 гс бшьшою мiрою пов'язана iз змь ною якостi поверхнi контактних груп, чим iз змiною якостi поверхонь, що труться, в шших мюцях ще'' рухомо'' системи (робо-ча тяга, ярмо, регулювальш пружини i так дaлi), та може використовуватись для дia-гностування поверхонь контакпв.
1нформативним методом визначення чистоти поверхш окремих контактних груп е вимiр змiни перехiдного опору контакпв пiд час 'х сумiсного руху (ковзан-
ня). Дослщження показують, що при ви-мiрювaннi опору контакпв пiд час 'х су-мюного руху, кола провiдностi на поверх-нi ковзання створюються i розриваються в зaлежностi вiд чистоти контакпв, чим чи-стiше контакт тим бшьша кiлькiсть точок провiдностi виникае i тривалше iснуе (рис. 3 а). Це пщтверджуе теорiю залеж-ностi стaбiльностi контакту вiд чистоти контактних поверхонь [7].
Збшьшення опору чистих металевих контакпв унaслiдок викривлення i стягу-вання лiнiИ струму до провщно'' плями називаеться опором стягування. Опiр стя-гування контакту виражаеться формулою:
2a
(7)
де р питомии опiр мaтерiaлу конта-ктiв, ом-см; a — рaдiус провщно'' контактно'' площi (плями, в см, або е^валент-ниИ рaдiус сумарно'' площi декiлькох контактних плям) [7].
У разi коли обидва контакти одше'1 контактно'1 пари виготовлеш з рiзних ма-терiалiв,
р1 + р2
К =
4а
(8)
де р1 i р2 — питомi опори матерiа-лiв обох контактiв пари. При замиканш контактiв спостерiгаеться як пружна, так i пластична деформацiя матерiалу на кон-тактних площах (плямах) [7].
У разi багатоточкового контакту, пе-рехiдний опiр е паралельним з'еднанням опорiв стягування кожно'1 контактно'1 пля-ми якi утворюються не тшьки у мiсцi ко-мутаци але i у роз'емах та у мющ приед-нання вимiрювача. Тому для точнiшого вимiрювання опору стягування комута-цiйних контактiв важливим е забезпечен-ня надiйного контакту у шших вищепере-лiчених мюцях.
Вважаючи середне питоме натис-нення на контактному майданчику рiвним контактнш твердостi матерiалу, можна написати:
¥к = И па2
(9)
де ¥к - контактне натиснення, И -
контактна твердють матерiалу, яка приб-лизно в три рази бшьше натиснення, вщ-повiдного початку пластично'1 деформацп (величина контактно'1 твердостi мало вщ-рiзняеться вiд твердостi по Бринеллю i Виккерсу) [8].
З урахуванням радiусу провщно'1 контактно'1 площi для контактiв з рiзних ма-терiалiв контактне натиснення можна за-писати:
Рк = Ип
( р1 + р2 4Я
(10)
Вираз (10) можна використовувати для автоматизаци процесу вимiрювання
контактного тиску для усунення похибки вимiрювання. Нестабiльнiсть отриманих результатiв вимiрювання перехщного опору контактiв може бути наслщком 1'х за-бруднення яке необхщно дiагностувати [4].
Вщомо, якщо плавно збiльшувати напругу на контактах, то при деякш вели-чинi напруги опiр окiсноi пшвки раптом зникае (плiвка як би пробиваеться), тобто мае мюце явище фрiттiнгу (початково'1 стадП пробою) пшвки. При падiннi напруги на контактах до величини 0,35—1,1В (вщповщно! напрузi плавлення матерiалу хоча б одного з контакпв), мае мiсце А-фрiттiнг. В цьому випадку матерiал контакту плавиться i втягуеться електроста-тичними силами в канал пробою пшвки, утворюючи провiдний перешийок (мiсток) мiж контактами [9]. Якщо при фрiттiнзi плiвок потужнiсть джерела струму мала i падiння напруги на контактах недостатньо для розплавлення матерiалу одного або обох контакпв (0,1—0,35В), то мае мюце В-фрггтшг. В цьому випадку органiчна пшвка в точцi пробою обвуглюеться (утворюються частинки вуглецю) i 11' отр знижуеться на декiлька порядкiв (до со-тень тисяч омiв).
Для визначення чистоти контактних поверхонь вщ вуглецевих забруднень пропонуеться встановити кшьюсний пока-зник, використовуючи явище саме В-фрптшгу.
Для iлюстрацii методу визначення величини забруднення контакпв з вико-ристанням В-фрггтшгу для декшькох контактних пар було зроблено по декшька вимiрювань перехiдного опору тд час 1'х сумiсного ковзання при напрузi вимiрю-вання менше 0,4 В.
На рис. 3 а), б) представлено по 3 вимiрювання для двох контактних пар 2122 (рис. 3 а) i 41-42 (рис. 3 б).
Контактна грум 21-22
Контактна група 4 ] -42
Q01 002 0 03 004 te
0 04 t С
Villi ^'
а)
б)
Рис. 3. Змша перехiдного опору контакпв пiд час ïx cyMicHoro руху (ковзання): а) чистих контакпв, б) забруднених контакпв
Контактна пара мае бшьш стабшь-ний показник контакту тд час ковзання, якщо при ковзанш у нй менше зникнень вимiрювaльнoï напруги, i це повторюеться при декiлькox пiдряд вимiрювaнняx.
Для визначення чистоти контакпв введемо коефщент нестабшьностг контакту Kk . Для його визначення ус рiвнi
вимiрювaльнoï напруги пiд час ковзання контакпв заповнюються iмпyльcaми з та-ктовою частотою процесора вимiрювaчa, ввдповвдш тaктoвi iмпyльcи якi yвiйшли у перевищення встановленого порогу вим>
рювaльнoï напруги приймаються за "1" -Xj, решта за "0" - X0. Спiввiднoшення
числа нyлiв до одиниць пiд час ковзання -е коефщент нестабтьностг контакту Kk та показник ïx забруднення:
K - X° Kk = X
(11)
Якщо цеИ показник рiвний 1, це означае 50% зникнення контакту тд час ковзання, чим менше цей показник - тим чистше контакт. Контактна пара 21-22 (рис. 3 а) мае бшьш стабшьний показник контакту тд час ковзання. Зрозумшо, що
Kk (11) з використанням В-фрггтшгу бу-де залежить тшьки вiд якостi контактних поверхонь та вщ контактного тиску (10), i тому його значення може встановлюва-тись для конкретних титв контактiв, а перевищення встановленого значення бу-де означати забруднення, або малий кон-тактний тиск.
Висновок
Запропоновано метод визначення сили тертя контакпв реле, коли контактна система виводиться iз стану рiвноваги (спокою) шляхом використання властиво-сп механiчного резонансу рухомо'1 систе-ми реле. Цей метод дозволяе автоматич-ними засобами визначити момент зру-шення i зупинки якоря, а також вщповщ-нi 1'м струм у обмотщ та силу тертя контакпв пiд час ковзання.
В-фрггтшг запропоновано викорис-товувати тд час сумiсного руху (ковзання) контакпв для визначення чистоти контактних поверхонь вщ вуглецевих за-бруднень у кiлькiснiй формi.
Дослщження показують, що при нормальному контактному тиску i номша-льному перехщному опорi, коефiцiент не-стабшьносп контакту Кк у реле НМШ i РЕЛ мае бути для фронтових контакпв менше 0,8, а для тилових контактiв менше 0,1, 1'х вiдмiннiсть пояснюеться матерiа-лом контактно'' пари, де для тилових контакпв це срiбло-срiбло.
Важливою перевагою даного методу е можливють автоматизацп процесу дiаг-ностування контактних груп. Викорис-тання пропонованого методу можливо при коливаннях якоря i брязкоту контакпв, тобто тд час всього руху якоря, при спрацюванш i вiдпаданнi, спiввiдношення фiксуються з появою контакту i до повно'1 зупинки якоря та залежить вщ забруднен-ня контактно'1 групи. Цей показник також залежить вщ контактного тиску та харак-теризуе товщину матерiалу контакту, тобто при 1'х зменшенш вiд встановленого
значення коефщент нестабiльностi контакту зростае i реле у будь-якому разi по-требуе ремонту по одше з вищезгаданих причин.
Л1тература
1. Сороко В. И. Реле железнодорожной автоматики и телемеханики. / В. И. Сороко — М. : НПФ «ПЛАНЕТА», 2002 — 696 с.
2. Аркатов В. С. Ремонтно-техно логический участок СЦБ. / В. С. Аркатов, А. И. Баженов, И. Е. Дмитренко М.: Транспорт, 1987. — 224 с.
3. Разгонов А. П. Контроль механических параметров электромагнитных реле / А. П. Разгонов, А. В. Андреевских, Б. М. Бондаренко // Зб. Наук. Пр. Донець-кого шс-ту залiзн. трансп. — 2005. — № 4. - С. 41-48.
4. Витенберг М. И. Расчет электромагнитных реле / М. И. Витенберг -М. : Энергия, 1975. - 416 с.
5. Сивухин Д. В. Общий курс физики / Д. В. Сивухин — М. : Наука, 1979. — Т. 1 Механика. — 520 с.
6. Разгонов А. П. К оценке сил трения в моменты трогания и остановки якоря реле / А. П. Разгонов, А. В. Андреевских, Б. М. Бондаренко, Д. А. Безрукавый // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. — 2007. — № 14. — С. 12-15.
7. Пик Р. Расчет коммутационных реле / Р. Пик, Г. Уэйгар [пер. с англ. В. А. Погорельского] - М. : Госэнергоиздат, 1961. — 576 с.
8. Dengel D. Wichtige Gesichtspunkte fur die Härtemessung nach Vickers und nach Knoop im Bereich der Kleinlast - und Mikroharte / D. Dengel - Z.f. Werkstofftechnik 4 (1973), PP. 292-298.
9. Keefer H. J. Relay Contact Behaviour under Non Eroding Circuit Conditions. N. Y., BSTJ / H. J. Keefer, K. H. Gumley — 1958, vol. 37, № 3, PP. 777-814.
Анотацн:
Предложен автоматизированный метод диагностики электромагнитного реле, который основан на определении силы трения в его контактах. Использовано явление В-фриттинга в определении коэффициента нестабильности контакта, который предоставляет возможность автоматизировано определить чистоту контактных поверхностей.
Ключевые слова: диагностика реле, чистота контактов.
Запропоновано автоматизований метод дiа-гностування електромагштного реле, який засно-ваний на визначенш сили тертя в його контактах.
Використано явище В-фргтнгу у визначенш кое-фщента нестаб1льносп контакту, який надае мож-лив1сть автоматизовано визначити чистоту контактних поверхонь.
Ключовi слова: д1агностування реле, чистота контакпв.
An automated method for diagnostics of electromagnetic relays based upon the determination of friction force in its contacts is suggested. The B-fritting phenomenon in determining the contact instability coefficient providing the ability of automating the purity of contact surfaces is used.
Keywords: relay diagnostics, purity of contacts.
